晶体管结构与作用

微电子制造原理与技术第二部分芯片制造原理与技术李明材料科学与工程学院芯片发展历程与莫尔定律晶体管结构与作用芯片微纳制造技术主要内容半导体基础知识MOSFET晶体管结构和工作原理晶体管应用举例导体（金属）半导体绝缘体铜铁硅锗大理石玻璃橡胶电阻率导体、半导体、绝缘体单元素半导体：Si、Ge、Sn等，外壳电子数为4的C族元素化合物半导体：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等，一般由B和N族组成的化合物。氧化物半导体：ZnO、MnO2、MnO、Cr2O3、NiO、TiO2、Cu2O、SnO2等电阻率的影响因素：杂质、温度、光、结构缺陷本征半导体本征半导体：纯净的单元素半导体硅、锗，以及等价化合物半导体GaAs、GaN等。本征半导体的导电机理：

在温度非常低的条件下，最外层价电子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴存在。故本征半导体在低温下的电阻率很高，变为绝缘体。

在受热或光照射的条件下，价电子被激发而成为自由电子，同时产生等数量的带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在外界电场的作用下移动而形成电流。

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—束缚电子，●—自由电子，●

—电子空穴掺杂物半导体N型半导体：向本征半导体中掺杂少量的价电子数为5的N族元素，则可获得自由电子，而成为N（Negative）型半导体。N型半导体的导电性主要靠自由电子的移动来完成。P型半导体：向本征半导体中掺杂少量的价电子数为3的B族元素，则可产生空穴，而成为P（Positive）型半导体。P型半导体的导电性主要靠空孔的的移动来完成。●

—束缚电子，●—自由电子，●

—电子空穴PN结与二极管的特性与构造整流特性：当向PN结由P向N方向施加反向电压时，PN结合部位将出现空乏层，电流无法导通（图左）。但施加正向电压时，自由电子和空穴会顺利移动而形成电流。这就是PN结二极管重要的整流特性。电子的移动方向空穴的移动方向

PN结：PNJunction,二极管：Diode电子空穴电子空穴PN结的电流特性降伏电压降伏电流逆向电压逆向电流正向电流正向电压二极管的标记芯片上二极管的构造负极正极N-SiP-Si正极负极电至光转换电发光原理：正负电在半导体P-N节处相遇，产生光子而发光光至电转换LED照明光伏太阳能电池光发电原理：光子照射到P-N节，产生电流，产生电力PN结的应用电流整流器偏置隔离场效应晶体管（MOSFET）

场效应晶体管低电压和低功耗。结型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物型场效应晶体管（MOSFET）NMOS型场效应三极管特

性Vg=0：源极与漏极间，由于NPN结的作用无电流通过。Vg>

0：且较高时，栅极与P-Si的界面间形成电子富集层（电子隧道），源极与漏极连通，电流通过。引出漏极（Vd）drainP-Si多晶体-Si栅极SiO2绝缘膜引出栅极（Vg）gateN-Si漏极N-Si源极基极（Vsub）substrate引出源极（Vs）sourceN型隧道（电子隧道）VgVsVsubVd特

性与NMOS动作相反，当Vg＜0，且绝对值较大时，栅极与N-Si的界面间形成空孔富集层（空孔隧道），源极与漏极连通，电流才能通过。由于空孔的移动速度低于电子，故动作速度比NMOS慢，应用较少。电子迁移率=1350cm2/V·S，空孔迁移率=480cm2/V·S

VgVsVsubVd引出漏极（Vd）drainN-Si多晶体-Si栅极SiO2绝缘膜引出栅极（Vg）gateP-Si漏极P-Si源极基极（Vsub）substrate引出源极（Vs）sourceP型隧道（空孔隧道）PMOS型场效应三极管两个pn结偏置状态相反沟道由反型层构成，与源漏形成通路场效应晶体管——NMOS的结构芯片上的实际NMOS结构PN+N+3voltsVds0.7voltsVgs+++++++++-----------场效应晶体管工作原理NMOSNMOS电流电压特性线性区，MOSFET象电阻，电阻受栅电压控制饱和区，MOSFE象电流源，电流大小与VG2有关场效应晶体管工作原理栅的作用类似与水闸的闸门场效应晶体管工作原理CMOS：ComplemetaryMetal-OxideSemiconductorCMOS型晶体管—并联式MOS型场效应管5VVs输出输入VsPMOSNMOS3245132451CMOS的输入输出特性输入电压输出电压当输入电压低时，NMOS不导通，PMOS导通，输出电压为高5V，表现为[1]。当输入电压高时，NMOS导通，PMOS不导通，输出电压为低0V，表现为[0]。将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化物半导体技术，也就是CMOS技术主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路CMOS型晶体管—并联式MOS型场效应管Metal1,AlCuP-EpiP-WaferN-WellP-WellPMDp+p+n+n+WMetal1P-well

PolycidegateandlocalinterconnectionSTIN-wellCMOSInverterCMOS应用例1：反相器5VVs输入VdPMOSNMOS10Offononoff5VVs输入VdPMOSNMOS01onoffoffon静态无电流CMOS应用例2：乘法逻辑电路输出输入BYAYBAABY000100010111Y=A·BCMOS应用例3：存储器掩模ROM可编程ROM(PROM--ProgrammableROM)可擦除可编程ROM(EPROM--ErasablePROM)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)静态存储器SRAM(StaticRAM)主要用于高速缓存和服务器内存动态存储器DRAM(DynamicRAM)按功能特点EEPROM(ElectricallyEPROM)/E2PROM只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)FlashMemory(快闪存储器，如U盘)FRAM(Ferro-electricRAM铁电存储器)SDRAM,DDR-RAM等非挥发存储器（Non-VolatileMemory--NVM）挥发存储器（VolatileMemory--VM）或者称易失存储器DRAM:四管动态MOS存储单元存储节点CMOS应用例3：存储器CMOS应用例4：图像传感器（CIS）CCDCMOS20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上适合大规模批量生产首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。CMOS应用例4：图像传感器（CIS）首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电至V，二极管处于反向状态；然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像